Страница 106 из 161
Чтобы понять предположение Бломбергена, вспомним, что атомы или ионы с n неспаренными электронами (т.е. с противоположными спинами) образуют во внешнем магнитном поле n + 1 магнитных уровней, интервал между которыми пропорционален напряженности магнитного поля (аномальный эффект Зеемана, который рассматривался в гл. 4). Теперь давайте рассмотрим вещество, обладающее тремя уровнями с неравными интервалами между ними (рис. 43). Некоторые парамагнитные ионы имеют такие уровни в подходящих кристаллах. Населенности уровней с энергиями Е1, Е2 и Е3 имеют населенности n1, n2 и n3 соответственно, и в условии термического равновесия мы имеем
n1 > n2 > n3
Рис. 43. Трехуровневая конфигурация парамагнитного материала
При обычных магнитных полях разности энергий между уровнями довольно малы и соответствуют микроволновым частотам. Они также малы по отношению к тепловой энергии атомов, и поэтому эти три населенности мало отличаются друг от друга.
Пусть теперь система подвергается сильному излучению накачки на частоте f13, которая соответствует разности энергий между уровнем 3 и уровнем 1. Такое поле, которое мы будем называть полем накачки, очевидно, поглощается и вызывает переходы между уровнями 1 и 3. Поскольку первоначально больше атомов находятся на основном уровне 1, система будет поглощать энергию, вызывая увеличение населенности уровня 3 за счет уровня 1. �тоговый эффект заключается в том, что населенности n1, и n3 стремятся стать равными с увеличением n3 и уменьшением n1. С другой стороны, населенность n2 не подвержена влиянию этого поля и поэтому остается той же самой. Первоначально она была слегка больше, чем n3, но затем, в результате действия поля накачки, n3 увеличивается за счет n1 и может получиться ситуация, когда n3 больше, чем n2 и больше, чем n1. Таким образом, между этими уровнями возникает инверсная населенность и может происходить вынужденный переход на частоте f32 или f21, соответствующей разностям энергий между уровнями 3 и 2, или между 2 и 1 соответственно. Разумеется, чтобы получить достаточно сильное вынужденное излучение, нужна как можно большая инверсная населенность, а так как энергии между уровнями очень малы, нужно работать при очень низких температурах.
Бломберген математически проанализировал разные процессы, которые происходят, и пришел к заключению, что инверсную населенность можно получить, например, между уровнями 3 и 2, если время, требуемое атомам, чтобы вернуться обратно в основное состояние (так называемое время релаксации), удовлетворяет определенным условиям.
В этом месте мы должны сказать, что идея использовать трехуровневую систему, пришла также Басову и Прохорову. В 1955 г. они опубликовали предложение, в котором рассматривались молекулы газа, с тремя уровнями. Они показали, что возможно получить инверсную населенность, используя подходящие поля излучения. В отличие от Бломбергена, система, предлагаемая двумя российскими исследователями, не допускала перестройки по частоте. Кроме того, не обсуждалась важность релаксации, и ни один из предложенных методов не заработал.
Возвратимся РІ РЎРЁРђ. Р’ Bell Labs РіСЂСѓРїРїР°, РІ которой работал Гордон, поступивший РІ исследовательский центр после выполнения диссертации РїРѕРґ руководством Таунса Рё Р“. Феером, сумела получить мазерный эффект РІ образце кремния СЃ примесями РІ согласии СЃРѕ схемой, предложенной Таунсом Рё его французскими коллегами. Немного спустя, Рудольф Компфнер (19091977), руководитель исследований РїРѕ электронике, изобретатель лампы бегущей волны, привлек Р“. Сковила, сотрудника технического отдела, работающего над разработкой твердотельных устройств. Рти РґРІР° человека познакомились РІ Оксфордском университете, РіРґРµ работал Компфнер, Р° РЎРєРѕРІРёР» занимался изучением, как сделать твердотельный мазер, работающий РІ непрерывном режиме. 7 августа 1956 Рі. РЎРєРѕРІРёР» представил меморандум СЃ предложением использовать кристалл этилсульфата гадолиния, свойства которого РѕРЅ детально изучил РІРѕ время работы над своей диссертацией. Предполагалось использовать парамагнитные СѓСЂРѕРІРЅРё РІ РїРѕРґС…РѕРґРµ, идентичном предложению Бломбергена. РЎРєРѕРІРёР» подготовил статью для посылки РІ Phisical Review.
Сообщения о работах Бломбергена доходили до научного центра Bell Labs, а Бломберген узнал, что что-то происходит в этих лабораториях. Бломберген хотел запатентовать свой мазер и стал беспокоиться, что он выдал слишком много информации коллегам. С другой стороны, в Bell Labs боялись, что может возникнуть неприятная ситуация с приоритетами оригинальных идей и будущими судебными процессами о патенте. �так, Бломбергена пригласили представить свои результаты в Bell Labs, и 7 сентября 1956 г. он провел семинар в Нью Джерси (отделения Bell Labs расположены в двух местах). Сковил, не знавший о работе Бломбергена, понял на семинаре, по его собственным словам, что Бломберген имел ту же идею и пришел к ней раньше меня. Так что я не послал мою работу в печать.